电介质的电气强度

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1、高电压技术高电压技术High Voltage Technology绪论绪论（INTRODUCTION）高电压技术：高电压技术：电力系统中涉及的绝缘、过电压、电气设备试验等问题的技术。电力系统中涉及的绝缘、过电压、电气设备试验等问题的技术。如：如：雷击变电所、发电厂的过电压及防护雷击变电所、发电厂的过电压及防护绝缘材料的研制绝缘材料的研制 合闸、分闸、空载运行以及短路引起的过电压合闸、分闸、空载运行以及短路引起的过电压 电气设备的耐压试验电气设备的耐压试验塔型？塔型？接地装置设计？接地装置设计？档中最档中最小对地小对地高度？高度？空气空气间距？间距？绝缘子绝缘子型式？型式？片数？片数？线间线间距

2、离？距离？档中导地档中导地线间距离？线间距离？避雷线根数？避雷线根数？单导线？单导线？分裂导线？分裂导线？高压架空输电线路设计：高压架空输电线路设计：一一. 研究意义研究意义简单电力系统组成简单电力系统组成 ：电能电能生产生产输送输送分配分配使用使用GT1T2LDL1. 为什么需要不断提高电压等级为什么需要不断提高电压等级大容量输电的需求；远距离输电的需求大容量输电的需求；远距离输电的需求线路的输送容量：线路的输送容量：系统电压系统电压U/kV22033050075010002000波阻抗波阻抗/ 400303278256250250输送容量输送容量P/MW1213609002200 4000

3、16000交流输电各电压等级下输电线路的波阻抗与输送容量交流输电各电压等级下输电线路的波阻抗与输送容量2. 电网电压的发展历史电网电压的发展历史（1） 1890 年年在在英英国国出出现现从从Deptford到到伦伦敦敦长长达达45km的的10kV输输电电线线路路，1891年年在在德德国国出出现现从从Lauffen到到法法兰兰克克福福长长达达170km的的15kV三相输电线路。三相输电线路。100年来世界上的输电电压提高了年来世界上的输电电压提高了100倍倍交流输电各电压等级首次出现的时间交流输电各电压等级首次出现的时间电压等级电压等级/kV10501102202873805257351150首

4、次出首次出现年份现年份189019071912192619361952195919651985（2 ） 特高压的出现与展望特高压的出现与展望 高高 压压 输输 电电 行行 业业 中中 习习 惯惯 上上 称称 100kV以以 下下 为为 高高 压压 ，100kV1000kV为超高压，为超高压， 1000kV 及以上为特高压及以上为特高压 国国内内电电压压等等级级情情况况： 220kV 为为干干线线， 500kV （交交、直直流流）为主干线，为主干线，20052005年西北电网年西北电网 750kV投入运行，投入运行，1000kV特高压输电系统正在建设中特高压输电系统正在建设中 20世纪世纪60年

5、代后期国际上开始了特高压输电的研究年代后期国际上开始了特高压输电的研究特特高高压压输输电电目目前前仍仍有有许许多多未未解解决决的的技技术术困困难难，实实际际投投入入工工业业应用的最高电压为应用的最高电压为750kV（3 ） 直流输电、紧凑型输电及灵活交流输电技术直流输电、紧凑型输电及灵活交流输电技术 从输电的角度说，直流输电几乎没有距离的限制，也可以用直流电缆在水下、地下输电，因此在远距离输电上很有前景。但也存在一些难题：换流站设备昂贵、直流断路器的性能不满意、直流绝缘子耐污性能差等。 紧凑型输电线路的特点特点是取消常规线路杆塔的相间接地构架而将三相线路置于同一塔窗中，使导线相间距离显著减小。

6、 因此，与常规线路相比，紧凑型输电线路的电感减小，电容增大，即线路的波阻抗减小，从而增大了输电线路的自然功率，也就是说可以有效地提高线路的输送能力。紧凑型输电的另一个显著优点是线路走廊减小，因而占地减少。 灵活交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem简写为FACTS）是指装有电力电子型或其它静止型控制器以加强系统可控性和增大传输能力的交流输电系统。 静止补偿器（静止补偿器（SVC）中既装有用来提高功率因数的并联电容器以保证重载时用户端的电压不致太低，又装有并联电抗器以降低线路轻载或空载时长线末端出现的工频过电压。SVC的电抗可从电容性到电感性按需要调节，从而使SV

7、C安装点的电压保持在一定的范围内。我国电网分布我国电网分布3. 高电压、高场强下的特殊问题高电压、高场强下的特殊问题 研究意义：将电能大容量、远距离、低损耗地输送，研究意义：将电能大容量、远距离、低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运行的安全可靠性。保持电网运行的安全可靠性。（1） 绝缘问题绝缘问题 ：绝缘材料、绝缘结构、电压形式：绝缘材料、绝缘结构、电压形式（2） 高电压试验问题高电压试验问题 （3） 过电压防护问题过电压防护问题 （4） 电磁环境问题：电磁兼容、生态效应电磁环境问题：电磁兼容、生态

8、效应 4. 高电压下的特殊现象及其应用高电压下的特殊现象及其应用 （1） 静电技术及其应用静电技术及其应用 （2） 液电技术及其应用液电技术及其应用 （3） 线爆技术及其应用线爆技术及其应用 （4） 脉冲功率技术及其应用脉冲功率技术及其应用 二二. 研究内容研究内容1. 提高绝缘能力提高绝缘能力 电介质理论研究电介质理论研究介质特性介质特性 放电过程研究放电过程研究放电机理放电机理 高电压试验技术高电压试验技术高压产生、测量高压产生、测量2. 降低过电压降低过电压 雷击或操作雷击或操作暂态过程暂态过程产生高电压产生高电压 绝缘破坏绝缘破坏故障故障 防止破坏防止破坏恢复恢复 研究过电压的形成及防

9、止措施研究过电压的形成及防止措施 过电压种类：大气过电压过电压种类：大气过电压 内部过电压内部过电压 3. 绝缘配合绝缘配合 使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气设备的可靠经济运行。相互协调以保证电气设备的可靠经济运行。 三三. 学习本课程的目的学习本课程的目的掌握电力设备绝缘性能、试验方法和掌握电力设备绝缘性能、试验方法和 电力系统过电压及其防护等方面的基电力系统过电压及其防护等方面的基 本知识，学会正确处理电力系统中过本知识，学会正确处理电力系统中过 电压与电压与 绝缘这一对矛盾。绝缘这一对矛盾。四四.

10、学习要求学习要求 与电工及物理的基础理论，如电介质理论、与电工及物理的基础理论，如电介质理论、电磁场理论、电路中的瞬变理论相关。电磁场理论、电路中的瞬变理论相关。内容涉及面广，经验公式多，试验数据、图表多，内容涉及面广，经验公式多，试验数据、图表多，实践性强实践性强 参考教材：参考教材：1. 赵智大：高电压技术，中国电力出版社，赵智大：高电压技术，中国电力出版社，20062. 文远芳：高电压技术，华中科技大学出版社文远芳：高电压技术，华中科技大学出版社, 20013. 林福昌：高电压工程，中国电力出版社，林福昌：高电压工程，中国电力出版社，20064. 梁曦东等：高电压工程，清华大学出版社，梁

11、曦东等：高电压工程，清华大学出版社，2003参考文献：参考文献：1. 朱德恒，严璋：高电压绝缘，清华大学出版社，朱德恒，严璋：高电压绝缘，清华大学出版社，19922. 刘丙尧：电气设备绝缘试验，水利电力出版社刘丙尧：电气设备绝缘试验，水利电力出版社，19933. 解广润：电力系统过电压，水利电力出版社，解广润：电力系统过电压，水利电力出版社，19854. 中国电机工程学报、电工技术学报、高电压技术、高压电器中国电机工程学报、电工技术学报、高电压技术、高压电器5. IEEE Trans. on Power System、 IEEE Trans. on Power Delivery、 IEEE T

12、rans. on Dielectrics and Electrical Insulation部分与电力有关的网站：部分与电力有关的网站：1.中国国家电力信息网中国国家电力信息网 :2.国际电工委员会国际电工委员会(International Electrotechnical Commission ) :www.iec.ch3.电气电子工程师协会电气电子工程师协会:www.ieee.org4.电力论坛电力论坛:5.电力网电力网:6.美国电力公司美国电力公司:8.ABB评论评论: 1. 电介质在强电场下的特性电介质在强电场下的特性电介质电介质(dielectric)：指通常条件下导电性能极差的物质

13、，在电指通常条件下导电性能极差的物质，在电力系统用作绝缘材料力系统用作绝缘材料电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差因此导电性能差 电介质电介质气体电介质气体电介质液体电介质液体电介质固体电介质固体电介质电介质从贮存电能的角度看电介质从贮存电能的角度看绝缘材料从隔离电流角度看绝缘材料从隔离电流角度看常用高压工程术语常用高压工程术语 击穿击穿(breakdown)：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙 丧失绝缘性能，形成导电通道丧失绝缘性能，形成导电通道 放电放电(disc

14、harge)：气体绝缘的击穿过程气体绝缘的击穿过程 闪络闪络(flashover)：沿固体介质表面发展的气体放电（沿面放电）沿固体介质表面发展的气体放电（沿面放电） 电晕电晕(corona discharge)：由于电场不均匀，在电极附近发生的局由于电场不均匀，在电极附近发生的局 部放电部放电 击穿电压（放电电压）击穿电压（放电电压）b（）：）：使绝缘击穿的最低临界电压使绝缘击穿的最低临界电压 击穿场强（抗电强度，绝缘强度）击穿场强（抗电强度，绝缘强度）b（）：）： 发生击穿时在绝缘中的最小发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。平均电场强度。 E Eb b b b（：极间距离）（：极间距离）

15、一切电介质的电气强度都是有限的，超一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体。绝缘性能，甚至演变成导体。在电场的作用下，电介质中出现的在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：电气现象：1.在弱电场下，主要有极化、电导、在弱电场下，主要有极化、电导、 介质损耗等介质损耗等2. 在强电场下，主要有放电、闪络、在强电场下，主要有放电、闪络、 击穿等击穿等气体电介质的电气强度气体电介质的电气强度气体放电的基本理论：气体放电的基本理论：汤逊理论汤逊理论流注理论流注理论研究气体放电的目的：研究气体放电的目的：了解气体在高电

16、压（强电场）的作用下逐步由电介质了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质 演变成导体的过程；演变成导体的过程；掌握气体介质的电气强度及其提高的方法掌握气体介质的电气强度及其提高的方法基本概念回顾：基本概念回顾： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程的过程电离电离电离能电离能 电离过程所需要的能量称为电离能电离过程所需要的能量称为电离能 ，也可用电离电位，也可用电离电位 反映。反映。一次电离、二次电离一次电离、二次电离一般情况下，气体放电中主要只涉及一一般情况下，气

17、体放电中主要只涉及一次电离的过程次电离的过程施加能量施加能量WWi自由电子自由电子电离电离激励激励施加能量施加能量光子光子激励激励施加能量施加能量自由电子自由电子分级电离分级电离施加能量施加能量自由行程自由行程 粒子在每两次碰撞之间自由地通过的粒子在每两次碰撞之间自由地通过的距离距离 平均自由行程平均自由行程 ：粒子自由行程的平均值粒子自由行程的平均值实际粒子的自由行程长度等于或大于某一距离实际粒子的自由行程长度等于或大于某一距离 的的概率为：概率为：是一个随机量，具有很大是一个随机量，具有很大的分散性，与气体分子的的分散性，与气体分子的半径和密度有关半径和密度有关电子的平均自由行程长度为：电

18、子的平均自由行程长度为： r为气体分子的半径，为气体分子的半径，N为气体分子的密度为气体分子的密度k为波尔茨曼常数，为波尔茨曼常数，1.3810102323J/KJ/K温度，温度，K 气压，气压，Pa1.1 气体中带电粒子的产生与消失气体中带电粒子的产生与消失一一. 带电粒子的产生带电粒子的产生(电离过程）电离过程）碰撞电离：碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离撞粒子能量，使其电离 根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式种电离形式是气体中产生带电粒子的是气体中产生带电粒子的最

19、重要的形式最重要的形式电子引起碰撞电离的条件：电子引起碰撞电离的条件： 条件：条件：撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能撞击粒子的总能量被撞粒子的电离能 一定的相互作用的时间和条件一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 动能、位能动能、位能主要的碰撞电离由电子完成主要的碰撞电离由电子完成即电子为了造成碰撞电离即电子为了造成碰撞电离而必须飞越的最小距离而必须飞越的最小距离光电离：光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离在光照射下，将光子能量传给粒子，游离 出自由电子出自由电子 由光电离而产生的自由电子称为光电子由光

20、电离而产生的自由电子称为光电子 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、光子来源：紫外线、伦琴射线、射线、宇宙射线射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子异号粒子复合也产生光子 光辐射能够引起光辐射能够引起光电离的临界波长光电离的临界波长可见光（可见光（400750nm）不能不能使气体直接发生光电离使气体直接发生光电离热电离：热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞 电离和光电离，能量来自气体分子的热能。电离和光电离，能量来自气体分子的热能。 分子动能分子动能碰撞电离碰撞电离 热辐射光子

21、的能量、数量热辐射光子的能量、数量光电离光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 温温度度超超过过10000K时时（如如电电弧弧放放电电）才才需需要要考考虑虑热热电电离离，在在温温度度达达到到20000K左左右右，几几乎乎全全部部空空气气分分子子都都已经处于热电离状态已经处于热电离状态电极表面电离电极表面电离: 气体中的电子也可从金属电极表面气体中的电子也可从金属电极表面 游离出来。游离出来。游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体分子的电游离需要能量，称金属的逸出功，小于气体分子的电离能离能 ，表明金属表面电离比气体空间电离更容易发，表明金属表面电离

22、比气体空间电离更容易发生生随随着着外外加加能能量量形形式式的的不不同同，阴阴极极的的表表面面电电离离可可在在下下列列情况下发生：情况下发生： 正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面光电子发射：高能辐射线照射电极表面热电子发射：金属电极加热热电子发射：金属电极加热强场发射：电极表面附近存在强电场强场发射：电极表面附近存在强电场负离子的形成负离子的形成: 中性分子或原子与电子相结合，形中性分子或原子与电子相结合，形 成负离子（附着）成负离子（附着）附着过程中放出能量（亲合能）附着过程中放出能量（亲合能） 电负性气体电负性气体大大 , 易形成负离子强电负性气体，如易形

23、成负离子强电负性气体，如SFSF6 6负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展负离子的形成使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用起抑制作用 带电粒子的消失带电粒子的消失（去电离、消电离）（去电离、消电离）1.中和中和在电场作用下作定向运动，消失于电极在电场作用下作定向运动，消失于电极 而形成外电路中的电流而形成外电路中的电流2. 扩散扩散因扩散而逸出气体放电空间因扩散而逸出气体放电空间3. 复合复合带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递、带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递、 中和而还原为中性粒子的过程中和而还原为中性粒子的过程与电离相反的与电离相反的物理过程物理过程1.2 气体

24、中的放电现象和电子崩的形成气体中的放电现象和电子崩的形成aUabUbcUc空气中电流和电压的关系空气中电流和电压的关系VA平行板电极实验（汤逊，平行板电极实验（汤逊，Townsend)： EE0IUSU0自持放电区自持放电区非自持放电区非自持放电区电子崩的形成：电子崩的形成：带电粒子在电子崩中的分布：带电粒子在电子崩中的分布：到达到达 处，电子数增加到处，电子数增加到，这这 个电子在个电子在 的距离中又的距离中又产生产生 个新电子，则有：个新电子，则有：在在均匀电场中，均匀电场中， 为常数为常数设：初始电子数为设：初始电子数为11电子崩中电子数目增长过程分析：电子崩中电子数目增长过程分析：电子

25、碰撞电离系数电子碰撞电离系数定义：一个电子沿着电场方向行经定义：一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰撞电离次数长度，平均发生的碰撞电离次数设每次碰撞电离只能产生一个电子和一设每次碰撞电离只能产生一个电子和一个正离子，则个正离子，则 就是一个电子在单位长就是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。度行程内新电离出的电子数或正离子数。抵达阳极的电子数：抵达阳极的电子数：途中新增加的电子数或正离子数：途中新增加的电子数或正离子数：在强电场中出现电子崩的过程在强电场中出现电子崩的过程也称也称 过程过程一个初始电子走过一个初始电子走过 距离后，由本身距离后，由本身碰撞电离产生的电

26、子数是碰撞电离产生的电子数是 ，计及新，计及新产生的电子也参加电离过程，则电子数产生的电子也参加电离过程，则电子数增加到增加到 个，若个，若 ，则则 结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，导致气隙中电子数迅速增加。导致气隙中电子数迅速增加。0a段：随着段：随着E增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的速度增大，气隙中的初始带电粒子向电极运动的速度加快而导致复合数减少，表现为加快而导致复合数减少，表现为I随随U的提高而增大；的提高而增大；ab段：外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电段：外界电离因子产生的带电粒子几乎能全部抵达电极，电流趋于饱和，饱和电流值很

27、小，气体仍处于良好的绝缘状态；流趋于饱和，饱和电流值很小，气体仍处于良好的绝缘状态；bc段：段：I随着随着U的提高而增大，表明此时电场的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电子足够大，使电子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，E越大，越大，电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多；电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多；cS段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数目呈指数增长，电流增大更快；目呈指数增长，电流增大更快；S点后：当电压增大到点后：当电压增大到U0时，时， 过程产生的二

28、次电子足够多，过程产生的二次电子足够多，能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发声等现象，气隙转入良好的导电状态。声等现象，气隙转入良好的导电状态。碰撞电离系数碰撞电离系数 的讨论的讨论（单位距离内的平均碰撞次数）（单位距离内的平均碰撞次数）（每次碰撞发生电离的概率）（每次碰撞发生电离的概率）电子引起碰撞电离的条件：电子引起碰撞电离的条件： 实际电子的自由行程长度等于或大于实际电子的自由行程长度等于或大于 的概率为：的概率为：电

29、子沿电场方向走过单位距离所完成的碰撞电离次数平均值电子沿电场方向走过单位距离所完成的碰撞电离次数平均值 电场强度电场强度E E增大，增大， 急剧增大急剧增大; ; 很大，（即很大，（即 很小）或很小）或 很小（即很小（即 很大）时，很大）时， 值都比较小值都比较小 高气压和高真空下，气隙都不易发生放电现象，高气压和高真空下，气隙都不易发生放电现象，即具有较高的电气强度即具有较高的电气强度又又（温度不变）（温度不变）1.3 自持放电条件自持放电条件必须依靠外界电离因素的作用提供自必须依靠外界电离因素的作用提供自 由电子作为电子崩的初始电子，一由电子作为电子崩的初始电子，一 旦外界电离因素停止发生

30、作用，则放旦外界电离因素停止发生作用，则放 电中止电中止非自持放电非自持放电自持放电自持放电撤除外界电离因素后，能仅由电场的撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电作用而维持的放电 过程过程：电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其电子崩中的正离子在返回阴极时，由于其具有的位能和动能，撞击阴极时引起阴极表具有的位能和动能，撞击阴极时引起阴极表面电离，产生面电离，产生 二次电子的过程二次电子的过程系数系数一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数一个正离子撞击阴极表面时产生的二次电子数显然自持放电条件自持放电条件11自持放电条件可写为：自持放电条件可写为：1物理含义物理含义？外加电场增外加电场

31、增大到一定程大到一定程度，才能满度，才能满足自持放电足自持放电条件条件1不均匀电场中，各处的不均匀电场中，各处的 值不同，自持放电条件为值不同，自持放电条件为： 起始场强起始场强（起始电压）（起始电压）放电由非自持转为自持时的场强，放电由非自持转为自持时的场强， 相应的电压为起始电压。相应的电压为起始电压。均匀电场中：均匀电场中：起始场强起始场强=击穿场强击穿场强 起始电压起始电压=击穿电压击穿电压不均匀电场中：不均匀电场中：起始电压起始电压 26.66kPacm（200mmHgcm）时，时，一些无法用汤逊理论解释的现象：一些无法用汤逊理论解释的现象：1.放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电

32、，而是火花通道放电外形：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道 2. 放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间 3. 阴极材料的影响：阴极材料对放电电压影响不大阴极材料的影响：阴极材料对放电电压影响不大 一一. 空间电荷对电场的影响空间电荷对电场的影响0dx二二. 空间光电离的作用空间光电离的作用流注的形成流注的形成初崩初崩空间光电离空间光电离二次电子崩二次电子崩汇入初崩汇入初崩流注流注正流注形成过程：（当外加电压不是很高时）正流注形成过程：（当外加电压不是很高时） 负流注形成过程：负流注形成过程： （当外加电压足够高时）

33、（当外加电压足够高时） 流注的特点流注的特点电离强度很大电离强度很大 传播速度很快传播速度很快 导电性能良好导电性能良好形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即转为自持放电，形成流注的条件（即自持行维持，即转为自持放电，形成流注的条件（即自持放电条件）放电条件）对均匀电场来说，自持放电条件对均匀电场来说，自持放电条件：常数常数常数常数或或或或实验得出实验得出流注理论和汤逊理论比较：流注理论和汤逊理论比较：各各适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论来取代另一种理论，互相补充，可以解释广阔的

34、来取代另一种理论，互相补充，可以解释广阔的pd范围内的气体放电现象。范围内的气体放电现象。1. 汤逊理论适用于低气压、短气隙的情况（汤逊理论适用于低气压、短气隙的情况（pd26.66kPacm）3.汤逊理论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持放汤逊理论认为电子崩和阴极上的二次发射过程是气体自持放电的决定性因素；流注理论认为电子碰撞电离及空间光电电的决定性因素；流注理论认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。场的作用。1.6 不均匀电场中气隙的放电过程不均匀电场中气隙的放电过程一一. 稍不均匀电

35、场和极不均匀电场的放电特征稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征1. 电场不均匀系数：电场不均匀系数：最大电场强度最大电场强度平均电场强度平均电场强度稍不均匀电场稍不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电，极不均匀电场中，首先在强场区发生电晕放电，自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大自持放电条件即是电晕起始条件，气隙击穿电压大于电晕起始电压。于电晕起始电压。2. 常见电场的结构：常见电场的结构： 均匀场：均匀场： 板板板板 稍不均匀场：稍不均匀场： 球球球球 对称场对称场 同轴圆筒同轴圆筒 极不均匀场：极不均匀场： 棒棒棒棒 棒板棒板 不对称场不对称场

36、稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相稍不均匀电场中气隙的放电特性与均匀电场相 似，似，一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿，一旦出现自持放电，便会导致整个间隙的击穿，3. 电晕放电电晕放电（1） 电晕的形成：电晕的形成：极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电极不均匀电场中，在外加电压下，小曲率半径电极附近的电场强度首先达到起始场强场强度首先达到起始场强E0，在此局部区域先出现碰撞电离在此局部区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区的局部放电称为电晕放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色电称为电晕

37、放电，在外观上表现为环绕电极表面出现蓝紫色晕光。开始出现电晕放电时对应的电压称为起晕电压。晕光。开始出现电晕放电时对应的电压称为起晕电压。可以是极不均匀电场气隙击穿过可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存程的第一阶段，也可以是长期存在的稳放电形式在的稳放电形式（2）电晕的危害及作用）电晕的危害及作用有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线有光、声、热效应造成能量损耗；电晕损耗在超高压输电线路设计中必须考虑路设计中必须考虑产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；产生的高频脉冲电流含有许多高次谐波，造成无线电干扰；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀

38、金属设备；使空气局部游离，产生的臭氧和氧化氮等会腐蚀金属设备；产生可闻噪声；产生可闻噪声； 有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅有利的一面：可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值和陡度，除尘，臭氧发生器值和陡度，除尘，臭氧发生器 （3）起晕场强与导线尺寸的关系）起晕场强与导线尺寸的关系 平行导线平行导线, 相距为相距为D, 半径为半径为r ，Dr，线间电压为线间电压为U 导线表面场强导线表面场强: 起晕场强：起晕场强： kV/cm皮克公式皮克公式 导线表面粗造系数导线表面粗造系数，光滑导线，光滑导线m1，绞线绞线m0.80.9 空气相对密度空气相对密度 r导线半径，导线半径，cm EcEE

39、E1/r1/r EEcc 1/1/ , cc，EE，EEEEcc超高压线路采用分裂导线，超高压线路采用分裂导线，超高压线路采用分裂导线，超高压线路采用分裂导线，减轻电晕放电危害减轻电晕放电危害减轻电晕放电危害减轻电晕放电危害设法限制和降低设法限制和降低导线表面电场导线表面电场4 . 极不均匀电场中放电的极性效应极不均匀电场中放电的极性效应0100200300300600900(kV)(cm)直流电压下棒直流电压下棒-板间隙击穿电压特性曲线：板间隙击穿电压特性曲线：正正正正棒棒棒棒负负负负板板板板电电电电极极极极负负负负棒棒棒棒正正正正板板板板电电电电极极极极1.7 各种电压作用下气隙的击穿特性

40、各种电压作用下气隙的击穿特性气隙的击穿特性取决于：气隙的击穿特性取决于：电场形式电场形式外加电压类型外加电压类型工频交流电压工频交流电压直流电压直流电压雷电过电压雷电过电压操作过电压操作过电压稳态电压稳态电压冲击电压冲击电压一一. 均匀电场气隙的击穿均匀电场气隙的击穿不不存在极性效应；存在极性效应；直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同；直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同；击穿电压分散性很小；击穿电压分散性很小；空气间隙的击穿电压经验公式：空气间隙的击穿电压经验公式：Ub击穿电压峰值，击穿电压峰值，kVEb 平均击穿场强，平均击穿场强，kV/cm空气的相对密度空气的相对密度 d间隙距离

41、，间隙距离， d 1 10cm 内，内，Eb=30kV/cm二二.稍不均匀电场稍不均匀电场与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。完全击穿。 电场不对称时有极性效应，不很显著电场不对称时有极性效应，不很显著 不同电压波形下不同电压波形下b都相同，且分散性不大都相同，且分散性不大 典型结构形式：球球，球板，两同轴圆柱典型结构形式：球球，球板，两同轴圆柱 三三.极不均匀电场极不均匀电场有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应 电极形状对气隙击穿电压影响不大，可用典型电极

42、代表电极形状对气隙击穿电压影响不大，可用典型电极代表,如棒棒，棒板如棒棒，棒板 在不同性质电压下，在不同性质电压下，b有明显差别，且分散性大有明显差别，且分散性大1.直流电压作用下直流电压作用下 显著的极性效应，显著的极性效应，b与与d接近成正比接近成正比（d10cm) 正棒负板，正棒负板，b 7.5d(kV/cm)负棒正板，负棒正板，b 20d长间隙下：长间隙下： 正棒负板，正棒负板，b 4.5d负棒正板，负棒正板，b 10d都比均匀电场中的击都比均匀电场中的击穿场强小得多（约穿场强小得多（约30kV/cm)2 .工频电压作用下工频电压作用下 击穿总是在棒极为正半波峰值附近发生击穿总是在棒极

43、为正半波峰值附近发生 d时，时，b接近与接近与d成正比成正比 棒棒，棒棒，b d 棒板，棒板，b d相差不多相差不多 d时，时，b与与d的关系趋向饱和，棒板尤甚。的关系趋向饱和，棒板尤甚。各种气隙的工频各种气隙的工频b 分散性不大，标准偏差分散性不大，标准偏差 33. 冲击电压下气隙的击穿冲击电压下气隙的击穿完成气隙击穿的三个必要条件：完成气隙击穿的三个必要条件：（1）足够大的电场强度或足够高的电压）足够大的电场强度或足够高的电压（2）在气隙中存在能发展一系列的电离过程，）在气隙中存在能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的最后导致间隙完全击穿的有效电子有效电子（3）需要有一定的时间，让

44、放电得以发展）需要有一定的时间，让放电得以发展并完成击穿。并完成击穿。 气隙完成击穿所需的时间很短，以微秒计，气隙完成击穿所需的时间很短，以微秒计，冲击电压的有效作用时间也是以微秒计，冲击电压的有效作用时间也是以微秒计，因此放电时间就成为一个重要因素了。因此放电时间就成为一个重要因素了。3.1 放电时间的组成放电时间的组成0Us: 静态击穿电压，静态击穿电压，长时间作用在间隙上能使长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压；间隙击穿的最低电压；t1：升压时间，：升压时间，电压从电压从零升高到静态击穿电压所需时间；零升高到静态击穿电压所需时间；放电时延：放电时延：放电时间：放电时间：ts: 统计时

45、延，统计时延，从从 t1开始到气隙中出现第一个有效电开始到气隙中出现第一个有效电 子所需子所需 的时间的时间tf: 放电形成时延，放电形成时延，从从 有有 效电子出现到气隙完成击效电子出现到气隙完成击 穿所需穿所需 的时间的时间具有统计分散性具有统计分散性,一般一般电压高，电压高，tlag小小3.2 标准试验电压波形标准试验电压波形直流电压直流电压 大多由交流整流而得，波形有脉动大多由交流整流而得，波形有脉动 脉动系数脉动幅值电压平均值脉动系数脉动幅值电压平均值 最大值与最小值之差的一半最大值与最小值之差的一半 工频交流电压工频交流电压 波形近似为正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比应波形近

46、似为正弦波，正负半波相同，峰值与有效值之比应为为 ，偏差不超过，偏差不超过 对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。为此，需对各种电压的波形制定统一的标准的。为此，需对各种电压的波形制定统一的标准 标准雷电冲击电压波形定义标准雷电冲击电压波形定义000.50.30.91波前时间：波前时间： 半峰值时间半峰值时间（或波长时间）（或波长时间）010.5标准操作冲击电压波形定义标准操作冲击电压波形定义3.3 气隙的冲击击穿特性气隙的冲击击穿特性：（1）. 50%冲击击穿电压冲击击穿电压 冲击系数冲击系数在一定波形的冲击电压作用下，外加电

47、压的幅值在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为时的电压称为变化，导致间隙击穿概率为时的电压称为均匀和稍不均匀电场下，均匀和稍不均匀电场下，极不均匀电场下，极不均匀电场下，（2）. 伏秒特性伏秒特性在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压 峰值与击峰值与击穿时间的关系穿时间的关系: Ub (tb ） 作法：作法：保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取，保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取，电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标；电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，取峰值

48、作纵坐标；击穿发生在波峰时，取峰值作纵坐标；击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。 0132特点：特点：伏秒特性有分散性，同一气隙在同一电压作用下，每次伏秒特性有分散性，同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样，是一个以上、下包线为界的带状区域击穿时间不完全一样，是一个以上、下包线为界的带状区域在每级电压在每级电压U作用下的多次击穿中，放电时间作用下的多次击穿中，放电时间小于下包络线所示数值小于下包络线所示数值t1的概率为的概率为0，其左方完全不击穿；，其左方完全不击穿；小于上包络线所示数值小于上包络线所示数值 t3的概率为的概

49、率为100，其右方完全击穿；，其右方完全击穿； 小于小于 t2的概率为的概率为5050%概率放电时间对应概率放电时间对应50伏秒特性伏秒特性 031250伏秒特性伏秒特性 曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦，上曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦，上 翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡012在绝缘配合中的意义：在绝缘配合中的意义： 1AB2AB3PAB图图1： A 设备，保护间隙设备，保护间隙 图图2：保护间隙的伏秒特性曲线：保护间隙的伏秒特性曲线 B低于设备的曲线低于设备的曲线A，能保护设备能保护设备 图图3：间隙曲线较陡，间隙在交

50、叉点：间隙曲线较陡，间隙在交叉点P前不能保护设备，前不能保护设备，在在P后能保护设备后能保护设备 。 曲线、形状可以改变，若曲线过低，运行不安全；曲线、形状可以改变，若曲线过低，运行不安全；但若抬高曲线，将会增加经济投入但若抬高曲线，将会增加经济投入3.4 雷电雷电 冲击电压下冲击电压下具有明显的极性效应具有明显的极性效应分散性较大分散性较大3.5 操作操作 冲击电压下冲击电压下波形对气隙的电气强度有很大影响波形对气隙的电气强度有很大影响长气隙下具有明显的长气隙下具有明显的“饱和饱和”现象现象分散性比雷电冲击电压下大得多分散性比雷电冲击电压下大得多1.8大气条件对空气间隙击穿电压的影响大气条件

51、对空气间隙击穿电压的影响及提高气体介质电气强度的方法及提高气体介质电气强度的方法标准大气条件：标准大气条件：压力压力p0=101.3kPa(760mmHg)温度温度t0=20或或T0=293K湿度湿度hc=11g/m3实际击穿电压校正：实际击穿电压校正：空气湿度校正系数空气湿度校正系数空气密度校正系数空气密度校正系数标准大气条件下的击穿电压标准大气条件下的击穿电压一一. 对空气密度的校正对空气密度的校正空气的相对密度，即实际气体密度空气的相对密度，即实际气体密度 与标准大气条件下的密度之比与标准大气条件下的密度之比气隙间距小于气隙间距小于1m时：时：长间隙下：长间隙下：二二. 对湿度的校正对湿

52、度的校正 在均匀和稍不均匀电场中，湿度的影响不大，在均匀和稍不均匀电场中，湿度的影响不大， 在极不均匀电场中：在极不均匀电场中： k与绝对湿度和电压类型有关，与绝对湿度和电压类型有关， 与电极形状、气隙与电极形状、气隙 长度、电压类型及极性有关长度、电压类型及极性有关 三三. 对海拔高度的校正对海拔高度的校正国标规定：国标规定：1000mH4000m，电力设施外绝缘的试电力设施外绝缘的试验电压应为平原地区外绝缘的试验电压乘以海拔校正验电压应为平原地区外绝缘的试验电压乘以海拔校正系数：系数： 提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法1. 改进电极形状以改善电场分布改进电极形状以改善电

53、场分布 一一. 改善电场分布改善电场分布2. 利用空间电荷改善电场分布利用空间电荷改善电场分布增大电极曲率半径，消除电极表面毛刺、尖角等；增大电极曲率半径，消除电极表面毛刺、尖角等；常用的方法是利用屏蔽罩来增大电极的曲率半径。常用的方法是利用屏蔽罩来增大电极的曲率半径。线线板、线板、线线电极中的线电极中的“细线效应细线效应”3. 极不均匀电场中采用屏蔽极不均匀电场中采用屏蔽在气隙中的适当位置放置用绝缘材料作成的屏蔽，在气隙中的适当位置放置用绝缘材料作成的屏蔽，阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布，从而提高阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布，从而提高气隙击穿电压气隙击穿电压2. 高真空的采用高真空

54、的采用 二二. 削弱或抑制电离过程削弱或抑制电离过程1. 采用高气压采用高气压0.10.52.05100.1 0.3 0.5(kV)pd (133.3Pacm)5012 31030010003. 采用高电气强度气体采用高电气强度气体主要是含卤族元素的气体，比空气的耐电强度高得多，主要是含卤族元素的气体，比空气的耐电强度高得多， 如：如： SF6 ， CCL2 F2 ( 氟利昂氟利昂 ) ， CCL4 原因：原因： 分子量大，分子直径大，不易撞击游离分子量大，分子直径大，不易撞击游离 很强的电负性，俘获电子成负离子很强的电负性，俘获电子成负离子 GIS：Gas Insulated Switchgear用做绝缘介质的条件：用做绝缘介质的条件： (1) 液化温度要低液化温度要低 (2) 良好的化学稳定性良好的化学稳定性 (3) 有实用的经济性有实用的经济性 SF6 应用最广泛应用最广泛 本章总结：本章总结：1. 气体放电的汤逊理论和流注理论气体放电的汤逊理论和流注理论2. 巴申定律巴申定律3.不均匀电场中气体放电特性不均匀电场中气体放电特性4.不同电压作用下气隙的击穿特性不同电压作用下气隙的击穿特性5.大气条件对空气间隙击穿电压的影响大气条件对空气间隙击穿电压的影响6.提高气体介质电气强度的措施提高气体介质电气强度的措施